TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
BAB II LANDASAN TEORI
Motor pembakaran dalam (internal combustion engine) adalah motor bakar yang fluida kerjanya dihasilkan di dalam pesawat itu sendiri. Motor jenis ini banyak digunakan sebagai sumber tenaga untuk menggerakan kendaraan darat, laut, dan udara. Motor pembakaran dalam jika dilihat dari siklus kerjanya dibagi menjadi 2 yaitu motor 2 langkah dan motor 4 langkah. Motor 4 langkah paling banyak digunakan karena lebih efisien jika dibandingkan dengan motor 2 langkah. Prinsip kerja motor pembakaran dalam yaitu menghasilkan tenaga dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder. Pada saat langkah kompresi campuran bahan bakar dan udara dibatasi oleh dinding silinder dan torak, sehingga walaupun gas itu ingin mengembang tetapi karena ruanganya dibatasi menyebabkan suhu dan tekanan di dalam silinder akan naik. Pada kondisi tersebut bunga api dipercikkan oleh busi sehingga terjadi proses pembakaran. Pembakaran bahan bakar dan udara didalam silinder akan menyebabkan panas yang akan mempengaruhi gas yang ada dalam silinder untuk
UNIVERSITAS MERCU BUANA
6
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
mengembang. Dari pembakaran tersebut terjadi tekanan ke dinding silinder dan torak, karena dibuat tetap dan hanya torak yang bisa bergerak maka tekanan hasil pembakaran itu akan mendorong torak dan menghasilkan tenaga gerak. Tenaga gerak inilah yang digunakan untuk menggerakan motor. Gerakan pada piston berupa gerak translasi yang kemudian dirubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crankshaft).
2.1. Pengertian 4 Tak, EFI, LGV, dan EURO 2.1.1. Pengertian 4 Tak Four Stroke Engine atau Motor empat langkah adalah motor yang siklusnya (1 kali pembakaran) dalam 2 kali engkol. Ini terlihat pada gambar 2.1. Proses kerja yang terjadi pada motor 4 langkah adalah : 1. Langkah Hisap Langkah hisap adalah langkah dimana campuran bahan bakar dan udara dihisap ke dalam silinder. Proses yang terjadi pada langkah hisap adalah posisi katup hisap terbuka sedangkan katup buang tertutup, torak bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB). Gerakan torak menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder. 2. Langkah Kompresi Langkah kompresi adalah langkah dimana campuran bahan bakar dan udara dikompresikan atau ditekan di dalam silinder. Proses yang terjadi pada langkah hisap adalah posisi kedua katup yaitu katup hisap dan katup buang tertutup, torak bergerak dari Titik Mati Bawah (TMB) menuju ke Titik Mati Atas
UNIVERSITAS MERCU BUANA
7
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
(TMA). Karena gerakan torak volume ruang bakar mengecil sehingga membuat terkanan dan temperatur campuran udara dan bahan bakar di dalam silinder naik. Poros engkol sudah berputar satu kali saat torak mencapai TMA. 3. Langkah Kerja (Ekspansi) Langkah kerja adalah langkah dihasilkanya kerja dari energi pembakaran campuran bahan bakar dan udara di dalam silinder. Posisi kedua katup tertutup, beberapa saat sebelum torak mencapai TMA busi memercikan bunga api pada campuran bahan bakar dan udara yang telah dikompresi dan terjadi pembakaran. Terjadinya pembakaran menyebabkan gas didalam silinder mengembang, tekanan dan temperatur naik. Tekanan pembakaran mendorong torak bergerak ke TMB, gerakan inilah yang menjadi tenaga motor. 4. Langkah Buang Langkah buang adalah langkah dimana gas sisa pembakaran dikeluarkan dari silinder. Katup hisap tertutup dan katup buang terbuka, torak bergerak dari TMB menuju ke TMA, gas sisa hasil pembakaran akan terdorong ke luar dari dalam silinder melalui katup buang. Saat torak sudah mencapai TMA poros engkol sudah berputar dua kali
UNIVERSITAS MERCU BUANA
8
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
Gambar 2.1. Proses Kerja Mesin 4 Langkah (Sumber : Arends BPM;H Berenschot, 1980) 2.1.2. Pengertian EFI (Electric Fuel Injection) Mesin dengan karburator adalah jumlah bahan bakar yang diperlukan oleh mesin diatur oleh karburator, sedangkan pada mesin modern dengan menggunakan sistem EFI (Electric Fuel Injection) adalah jumlah bahan bakar yang diatur lebih akurat oleh komputer dengan mengirimkan bahan bakarnya ke silinder melalui injektor. Sistem EFI (Electric Fuel Injection) menentukan jumlah bahan bakar yang optimal disesuaikan dengan jumlah dan temperatur udara yang masuk, kecepatan mesin, posisi katup trhottle pengembunan oksigen didalam exhaust pipe dan kondisi penting lainnya. Komputer EFI (Electric Fuel Injection) mengatur jumlah bahan bakar untuk dikirim kemesin pada saat penginjeksian dengan perbandingan udara dan bahan bakar yang optimal berdasarkan kepada karakteristik kerja mesin. Sistem EFI menjamin perbandingan udara dan bahan bakar yang ideal dan efisiensi bahan bakar yang tinggi pada setiap saat. Sistem EFI (Electric Fuel Injection) dirancang untuk mengukur jumlah udara yang dihisap dan untuk megontrol penginjeksian bahan bakar yang sesuai
UNIVERSITAS MERCU BUANA
9
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
2.1.3. Pengertian LGV LGV adalah gas cair sejenis LPG yang dipompakan kedalam tabung baja hingga mencapai 18 bar, sehingga LGV ini sangat sesuai untuk di gunakan pada kendara di Indonesia seperti mobil pribadi, motor, dan taxi. LPG untuk kendaraan sering disebut Auto Gas atau LGV (Liquefied Gas Vhecile) adalah hidrokarbon dalam bentuk propane atau butane yang dalam kondisi normal berbentuk uap atau kabut, namun akan berbentuk cairan bila diberi tekanan tertentu. Bahan bakar gas LGV ini merupakan gas alam yang diolah didalam kilang LPG hingga memiliki spesifikasi tertentu dalam bentuk cair dan disimpan didalam bejana tekanan pada tekanan 4 – 8 bar. LGV (Liquiefied Gas for Vehicle) adalah produk hidrokarbon terdiri dari C3 (Propane) dan C4 (Butane) pada komposisi tertentu yang mana pada temperature ambient berwujud berupa cairan dengan tekanan 115-175 psi dan akan berubah menjadi fase gas pada tekanan <1 atm yang keluar dari conversion kit ke mixer, dengan kandungan octane 98-105.
2.1.4. Pengertian EURO EURO adalah standar emisi gas buang di Eropa dan memang menjadi standarisasi untuk dunia. Yang menjadi dasar adalah perhitungan jumlah besaran CO+NOx, CO (karbonmonoksida), NOx (Nitrogenoksida), serta jumlah partikulat pada diesel.
UNIVERSITAS MERCU BUANA
10
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
2.2. Kelebihan dan Kelemahan Sistem LGV dan EFI 2.2.1. Kelebihan dan Kelemahan LGV A. Kelebihan LGV 1. Ramah lingkungan. 2. Fleksibelitas pemakaian dua jenis bahan bakar 3. Biaya operasional kendaraan lebih murah karena harga LGV di bawah premium apalagi pertamax 4. Jarak tempuh per liternya lebih panjang sedikit di bandingkan premium atau pertamax, dengan beda sekitar 2-3 km 5. Kerja mesin lebih optimal 6. Memperpanjang umur mesin 7. Bebas timbale 8. Lebih aman, karena tekanan di dalam tangkinya lebih rendah, ada Auto Cut Off Valve apabila ada kebocoran, tabung tahan api/panas/kebakaran, tabung tahan benturan B. Kelemahan LGV 1. SPBG masih jarang 2.
Masih perlu memasangkan Converter Kit yang biayanya lumayan besar
3. Karena perbedaan oktan yang cukup signifikan antara LGV bengan BBM, akan mengakibatkan performa mobil akan berkurang pada saat katup gas terbuka pada saat beralihnya dari LGV ke BBM 4. Butuh tempat khusus untuk pemasangan tangki gas pada kendaraan 5. Part mobil perlu di lubangi untuk pemasangan saluran LGV ke mesin
UNIVERSITAS MERCU BUANA
11
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
2.2.2. Kelebihan dan Kelemahan Sistem EFI A. Kelebihan EFI 1. Dapat mengatur A/F ratio berdasarkan kebutuhan mesin dan kondisi. 2. Dapat mengatur A/F berdasarkan kadar emisi yang diwajibkan sehingga emisi lebih baik.Ketika temperature dan tekanan udara berubah maka dia dapat menyesuaikannya. 3. Injector menyuplai bahan bakar kemesin berdasarkan kebutuhan mesin sehingga penggunaan bahan bakar dapat lebih effisien sehingga dapat lebih irit. B. Kelemahan EFI 1.
Harga lebih mahal dibandingkan karburator sebab lebih banyak terdapat komponen
2.
Jumlah komponen yang lebih banyak dan kompleks
3.
Perawatan harus menggunakan alat khusus dan teknik tertentu.
2.3. Sistem Bahan Bakar Pada Motor Bakar Bensin Didalam motor bensin selalu diharapkan bahan bakar dan udara itu sudah bercampur dengan baik sebelum dinyalakan oleh busi. Pompa bahan bakar mengalirkan bahan bakar dari tangki ke karburator untuk memenuhi jumlah bahan bakar yang harus tersedia di dalam karburator, sebelum masuk ke dalam silinder udara mengalir melalui karburator yang mengatur pemasukan, pencampuran dan pengangkutan bahan bakar ke dalam arus udara sehingga diperoleh perbandingan campuran yang sesuai dengan keadaan beban dan kecepatan poros engkol.
UNIVERSITAS MERCU BUANA
12
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
Penyempurnaan pencampuran bahan bakar-udara tersebut berlangsung baik didalam saluran isap maupun didalam silinder sebelum campuran itu terbakar. Campuran yang kaya diperlukan dalam keadaan tanpa beban dan beban penuh, sedangkan campuran yang miskin dalam keadaan operasi normal. Udara atmosfir
Lubang ventilasi
Tangki bahan bakar
Saringan udara
karburator silinder
Saringan bahan bakar
Saluran isap
Gas buang
Saluran buang
Gambar 2.2. Skema sistem penyaluran bahan bakar (Sumber : PT. AUTOGAS INDONESIA)
2.4. AFR Ideal Dalam mesin bensin perbandingan bahan bakar dan udara haruslah tepat untuk menjamin pembakaran yang sempurna dalam ruang bakar. Mesin tidak efisien bila jumlah bahan bakar terlalu banyak atau terlalu sedikit dalam hubungannya dengan volume udara. Jumlah bagian udara dengan jumlah bahan bakar disebut ” Air Fuel Ratio Stoichiometric ( AFR Stoichiometric ) ”. Perbandingan ini sangat penting, sebab perbandingan yang tepat dibutuhkan dalam semua kondisi kerja mesin. Kemampuan tenaga mesin dikontrol oleh banyaknya campuran bahan bakar dan udara yang masuk ke ruang bakar.
UNIVERSITAS MERCU BUANA
13
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
2.5. Teori Dasar Bahan Bakar Bensin Dan Gas LGP 2.5.1. Unsur Bahan Bakar Bensin Dan Gas LGP Bensin adalah hasil yang diperoleh dari permurnian nephta yang komposisinya dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk enjin (internal combustion engine). Yang dimaksud dengan nephta adalah semua minyak angin (light oil) yang mempunyai sifat antara bensin (gasoline) dan kerosene. Sebagai bahan bakar, bensin mempunyai komposisi elemen – elemen C (Karbon), H (hidrogen), O (oksigen) dan elemen lainnya seperti abu (ash) dan air (moisture). LPG adalah merupakan bahan bakar gas yang di formulasikan untuk kendaraan bermotor, yang terdiri dari campuran Propane (C3) dan Butane (C4), dimana spesifikasinya di sesuaikan dengan keperluan mesin kendaraan bermotor yang menggunakan Spark Gasoline Engine (mesin berbahan bakar bensin)
2.5.2. Bahan Tambahan Bensin Bahan tambahan bensin yang utama adalah suatu bahan anti knocking yang sering disebut timah (C 2 H 5 ) 4 Pb atau tetra ethyl selain itu ada suatu tambahan pada bensin yaitu : a.
Oxidation Inhibitor
Untuk membantu mencegah terbentuknya karat saat bensin disimpan b.
Metal Deactivators
Untuk melindungi bensin dari efek yang merugikan terhadap metal tertentu selama proses penyulingan atau didalam sistem bahan bakar kendaraan. c.
Bahan anti karat
UNIVERSITAS MERCU BUANA
14
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
Untuk melindungi sistem bahan bakar kendaraan dari kamungkinan berkarat. d.
Anti acers
Untuk menghilangkan pembekuan didalam karburator/EFI dan pipa bahan bakar. e.
Deterjen
Untuk mempertahankan kebersihan karburator/EFI pada kendaraan.
2.6. Sifat Bahan Bakar Bensin Dan Gas LPG Tabel 2.1. Perbandingan sifat bahan bakar No.
Karakteristik
Bensin
LGP
CNG
C8H18
C3H8
CH4
752 kg/m³
1.5 kg/m³
0.6 kg/m³
1
Komposisi
2
Densitas
3
Berat molekul
114,8 kg/kmol
44.09 kg/kmol
17.51 kg/kmol
4
Nilai kalori
45950 kj/kmol
46360 kj/kmol
47476 kj/kmol
5
AFR Stoikiometri
14.57
15.6
16.15
360ºC
460ºC
521.4ºC
20-40ºC
0.82ºC
521.4ºC
88
110
130
Temperatur penyalaan 6 min. 7
Kecepatan menyala
8
Angka oktan
(Sumber : PT. AUTOGAS INDONESIA)
2.7. Emisi Gas buang Atmosfir bumi yang biasa disebut ” udara ”, terdiri dari : Oksigen ( yang menempati
volume atmosfir dan Nitrogen (
UNIVERSITAS MERCU BUANA
)
) yang menempati
15
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
volume atmosfir. Sisanya yang 1 termasuk Argon (
ditempati oleh berbagai macam gas,
) yang berjumlah
dari sisa
dan Karbondioksida
).
(
Tabel 2.2. Perbandingan emisi udara No.
Indikator
Bensin
LGP
CNG
1
CO
0.00 (%vol)
0.00 (%vol)
0.00 (%vol)
2
CO2
15.1 (%vol)
13.8 (%vol)
12.3 (%vol)
3
HC
0009 (ppm vol)
0016 (ppm vol)
0041 (ppm vol)
4
O2
0.05 (%vol)
0.18 (%vol)
0.19 (%vol)
5
LAMBDA
1.001
1.008
1.008
(Sumber : PT. AUTOGAS INDONESIA)
Oks ige n ( O2 ) 21%
Gas lain 1%
Nit rog en ( N2 ) 78%
Gambar 2.3. Susunan atmosfir bumi (Sumber : PT. AUTOGAS INDONESIA)
Disamping gas Argon dan Karbondioksida, masih banyak lagi zat yang dihasilkan manusia, seperti gas Carbonmonoksida (
UNIVERSITAS MERCU BUANA
), Hidrocarbon (
),
16
TUGAS AKHIR
Nitrogenoksida (
TEKNIK MESIN
), Sulfurdioksida (
) dan lain – lain. Zat yang tidak
diinginkan ini disebut ” Air Polutan ” atau ” Pencemar Udara ”. Zat pencemar udara tersebut dihasilkan oleh gas buang kendaraan bermotor, thermo electric power plant, heater bangunan, asap pembakaran sampah, asap dari pabrik – pabrik dan masih banyak lainnya. Reaksi kimia yang terjadi akibat pembakaran bahan bakar merupakan sorotan penting untuk mengetahui seberapa baiknya bahan bakar yang di gunakan untuk mengatur emisi yang di hasilkan seperti kandungan pada bensin dan pada gas
Semakin banyaknya pencemaran udara, maka akan berakibat buruk pada lingkungan hidup manusia, hewan ataupun tumbuhan dan juga mempercepat terjadinya pemanasan global ( Global Warming Potensial ). Data – data dari Kementerian Lingkungan Hidup ( KLH ) menyatakan bahwa penyebab terbesar pencemaran udara di Indonesia adalah alat transportasi yang hampir mencapai
( terutama kendaraan bermotor ),
adalah dari
proses industri dan sisanya dari sampah rumah tangga.
2.8. Pengaruh Emisi Gas Buang Terhadap Lingkungan Secara umum pengaruh emisi gas buang terhadap lingkungan dapat dikelompokkan kedalam 5 kategori, yaitu : 1. Pengaruh terhadap kesehatan dan keselamatan manusia. 2. Pengaruh terhadap tumbuhan dan binatang. 3. Penagruh terhadap material dan bangunan.
UNIVERSITAS MERCU BUANA
17
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
4. Pengaruh terhadap gangguan baut dan nilai estetika. 5. Pengaruh terhadap ekosistem (udara, tanah, dan air). Pengaruh dan zat-zat yang terkandung dalam emisi gas buang pada kesehatan manusia dapat dijabarkan sebagai berikut: 1. CO (Karbon Monoksida). Senyawa karbon monoksida dapat mengakibatkanantara lain gejala kekurangan oksigen dalam darah terjadinya sesak nafas, sakit kepala, dan dalam akumulasi yang cukup tinggi mengakibatkan kematian.
3. HC (Hidro Carbon) Hidro corbon dalam tubuh manusia dapat menyebabkan antara lain rusaknya jaringan lemak dalam tubuh dan tergantunya fungsi hati.
4.SOx (Sulffur Oksida) Sulfur oksida dalam tubuh manusia dapat mengakibatkan terjadinya sesak pada sistimpernapasan manusia atau bahkan dapat menyebabkan terjadinya bronchitis.
5. NOx (Nitrogen Oksida) Nitrogen oksida merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. Dengan adanya O 2 akan bereaksi membetuk NO 2 yang mengeluarkan bau yang merangsang dan dapat menyebabkan edema paru-paru bronchitis. NO 2 dalam tubuh manusia dapat mengakibatkan terganggunya kinerja haemoklobin
UNIVERSITAS MERCU BUANA
18
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
dan darah sehingga dapat menyebabkan lemas atau bahakn dan rusak organ dalam paru-paru.
6. Partikulat Pengaruh partikulat pada tubuh manusia antara lain dapat memicu terjadinya kanker, terjadinya gangguan pernapasan dan dapat mengganggu pernapasan dan dapat mengganggu proses metabolisme tubuh. 2.8.1. Kabut Asap Reaksi kimia yang terjadi antara unsur nitrogen oksida (NO) dengan hidro karbon (HC) yang dipengaruhi oleh radiasi sinar ultra violet menyebabkan kabut asap diudara, dan biasanya terjadi pada saat cuaca panas atau pada hari-hari musim panas. Kabut asap yang terjadi akibat dari emisi gas buang ini sangat merugikan manusia dan lingkungan karena dapat mengakibatkan terjadinya antara lain : □ Iritasi mata dan gangguan pernapasan □ Berkurangnya jarak pandang bagi para pengendara kendaraan. □ Kerusakan kehidupan tumbuhan karena proses fotosintesis terganggu. Untuk mengurangi resiko terjadinya kabut asap akibat dari emisi gas buang terutama NO dan HC dapat dilakukan dengan cara mengubah unsur-unsur tersebut menjadi lebih tidak berbahaya bagi lingkungan. Untuk melakukan hal tersebut dapat dipasang suatu alat katalisator pada sistim gas buang kendaraan bermotor yang disebut catalytic konferter
UNIVERSITAS MERCU BUANA
19
TUGAS AKHIR
TEKNIK MESIN
2.8.2. Hujan Asam Hujan asam yang terjadi di atmosfir disebabkan oleh reaksi kimia antara NO dan SO 2 yang berasal dari gas buang kendaraan bermotor. SO 2 yang trdapat pada emisi gas buang kendaraan bermotor biasanya disebabkan karena adanya konsentrasi sulfur yang terdapat pada bahan bakar walaupun kadarnya rendah. Konsentrasi asam di atmosfir yan terlalu tinggi akan mengubah keseimbangan pH yang ada sehingga akan menyebabkan kerusakan pada kehidupan tumbuhan, kerusakan struktur bangunan, kerusakan tanah, korosi, dan lain-lain. 2.8.3. Penipisan Lapisan Ozon Lapisan ozon (O 3 ) di atmosfir sangat berperan penting dalam mengurangi efek radiasi sinar ultra violet dan dari matahari. Adanya reaksi kimia antara chloro fluoro karbon (CFC), hidro karbon dan oksida nitrogen menyebabkan lapisan ozon terserap karena reaksi tersebut memerlukan O 3 sebagai perantaranya. Akibat dari penyerapan tersebut maka akan terjadi penipisan ozon sehingga initensitas radiasi sinar ultra violet yang sampai ke permukaan bumi menjadi sangat tinggi. 2.8.4. Efek Rumah Kaca (Green House Effect) Adanya kabut asap pada permukaan bumi mengakibatkan permukaan bumi seakan-akan diselimuti oleh suatu lapisan yang menyebabkan panas matahari yang sudah masuk bumi tidak dapat dipantulkan kembali keluar karena lapisan tersebut menghalanginya, sehingga terjadi pemanasan global dibumi.
UNIVERSITAS MERCU BUANA
20
